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脉冲电镀纳米金工艺分析
www.hehanggroup.com 化学镀镍--合航集团 2013-03-22 13:54
沙井电镀厂资讯：
０前言
目前在工业领域中应用的电镀金工艺可分为软金工艺和硬金工艺［１］。前者主要应用于微电子硅晶片表面处理及芯片内部导线固定等方面，后者主要应用于芯片中电路连接器件接触阻抗等方面。由于硬金工艺使用氰化物镀液，近年来已逐渐被其他工艺所取代。当今电子技术发展日新月异，根据国际半导体技术发展路线图报道，在２００７年，最小线宽尺寸就已达到６５ｎｍ。在如此小的微观尺寸下，采用传统的铜或铝等材料作为芯片内连线会出现一系列的问题，而采用金作为未来４５ｎｍ级芯片内连线具有很大的可能。近年来国内外关于电镀金工艺的研究取得了很大的进展，提出了许多建设性的方法，但所获得的结论往往偏重于经验，且晶粒尺寸往往过大。本文着重讨论软金工艺中获得纳米金镀层的工艺流程，从电镀理论入手推导控制晶粒大小的方法，并对镀液进行分析，从而试图精准控制镀层厚度和晶粒大小。
１理论分析
１．１镀层厚度
法拉第定律可表示为：
ｗ＝Ｚ×Ｑ＝Ｚ×Ｉ×ｔ（１）
式中：ｗ为生成物的质量；Ｚ为电化学当量；Ｑ为电解池通过的电量；Ｉ为通过的电流；ｔ为通电时间。电化学当量Ｚ可通过下式求得：
式中：Ａｗｔ为阴极上析出金属的相对原子质量；ｎ为参与沉积反应的电子数；Ｆ为法拉第常数，为９６４８７Ｃ。
令镀层厚度为ｈ，体积为Ｖ，表面积为ａ，相对密度为ｄ，则镀层厚度可通过下式求得：
１．２金微粒半径
晶芽形成时，自由能的变化ΔＧＮ可表示为［２］：
ΔＧＮ＝ε×Ｐ－Ｎ×Δμ（４）
式中：ε为边界能的平均值；Ｐ为晶核的周长；Ｎ为晶核中原子的数目；Δμ为原子在溶液中与在晶核中的化学位差。
当晶核中的原子数目达到临界值ＮＣ时，晶核是稳定的。定义此时的ΔＧＣ为临界晶核生成能：
式中：ｇ为二维晶核的几何因子；ηｃ为阴极的过电位；ｑ为沉积一个原子单层所需的电量；ｒｏ为临界晶核半径。
２实验
２．１试片准备
首先使用ＬＤＪ－２Ａ－Ｆ１５０型溅射镀膜机对７．６２ｃｍ硅片进行初步溅镀金。在源能量４００ｅＶ，束流６０ｍＡ，中和电流７２ｍＡ，溅镀时间１０ｍｉｎ的条件下，可以得到金层厚度约为５０ｎｍ。
随后制作规格为１ｃｍ×１ｃｍ的掩模板，进而在硅片上甩上正胶（瑞红），进行曝光，显影后所得图案，如图１所示。
２．２镀液组成及工艺条件
３结果与讨论
３．１镀层厚度
在镀液中，金是以亚硫酸盐的形式存在，为＋１价。根据式（２）和式（３）计算出镀层厚度的理论值为９．５１３μｍ。在电流密度为１．５Ａ／ｄｍ２，电镀时间为３０ｍｉｎ的条件下，使用台阶仪测量镀层厚度，实验结果，如表１所示。由表１可知：实际镀层厚度和理论值是比较接近的。另外，镀液中金离子的质量浓度对镀层厚度也是有影响的。
３．２金微粒大小
由式（７）可知：金微粒半径与过电位成反比，而过电位与电流密度的对数成正比。由此可知：金微粒半径与电流密度的对数成反比。
分别选取电流密度为１．０Ａ／ｄｍ２和１．５Ａ／ｄｍ２对样品进行实验。使用德国Ｒａｉｔｈ公司生产的Ｅ－ｌｉｎｅ电子束系统对所得镀层的微观结构进行分析，实验结果，如图３所示。使用台阶仪在镀层的四角、边界及中央区域各选取若干点进行测量，然后对结果取平均值，从而得到金微粒的平均尺寸，实验结果，如表２所示。
实际得到的金微粒尺寸的比值比理论值略小。其原因主要有以下几个方面：
（１）与镀液中金离子的质量浓度有关。电镀后期阴极周围金离子的质量浓度较低，镀层稀疏从而使晶粒半径起伏较大。
（２）与镀液的选取有关。同一镀液在使用多次后，内部成分会发生变化从而导致生成的金微粒大小不均匀。
（３）与脉冲电源有关。用示波器观察脉冲电源时，发现在正负脉冲变化时会出现一个电压的跃变，虽然幅度不是很大，但也会对镀层有所影响。
４·结论
本文着重从理论分析入手，尝试解决在脉冲电镀金过程中的镀层厚度和金微粒大小等问题。经过理论分析和实验验证，本文推导的理论数据可以较好地解决一些实际问题，但所得的金微粒仍然过大。其原因主要在于对阴极过电位和镀液中金离子的质量浓度变化难以精准控制。这两方面的问题可以通过改善电源稳定性和对镀液进行更新等方法解决。
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